DIY – Cargador de baterías

por Mario 6 marzo, 2010, 4:43 pm 10 Votes 89 Comments

DIY – Linterna sin baterías ni pilas

Aquellos que somos unos apasionados de la electrónica y construimos numerosos proyectos semana a semana, utilizamos una materia prima elemental sin la cual todo lo que hacemos no tendría posibilidad de ser: la energía eléctrica. Cuando no la tenemos nos acordamos de lo necesario que es tener siempre a mano un sistema de iluminación de emergencia. En la anterior entrega pudimos ver cómo se construye un circuito para generar la energía suficiente que sea capaz de encender una luminaria de bajo consumo. Hoy veremos cómo construir el circuito que mantendrá siempre cargada la batería que activará el sistema de emergencia en el momento indicado. Todos los sistemas de iluminación de emergencia necesitan disponer de una fuente de energía capaz de suministrarles potencia durante el mayor tiempo posible a los circuitos encargados de encender las luminarias incorporadas (en nuestro caso utilizamos una sola) durante los momentos en que el suministro de red deja de estar presente. Para que la batería esté siempre completa en su capacidad de acumular energía necesitamos un circuito que pueda conectar, en forma automática, un cargador y que “observe” de manera continua la tensión en los bornes de la batería. Es decir, cargarla hasta un límite seguro de operación apropiada y mantenerla siempre dentro de límites correctos de tensión. Vale recordar que una batería no puede estar conectada a un cargador de forma continua ya que un exceso de tiempo de carga termina arruinando la batería. Es por esto que nuestro diseño debe estar siempre atento a mantenerla en buenas condiciones para cuando sea necesario su funcionamiento. En nuestro trabajo de esta semana utilizaremos una sola batería, pero pueden conectarse varias en el arreglo serie – paralelo que sea necesario de acuerdo a las características del equipo generador. El circuito que desarrollaremos en este artículo estará orientado hacia la carga y manutención de una batería de plomo ácido, igual a la que ya hemos utilizado en artículos anteriores. De todos modos, como expresamos antes, el diseño puede adaptarse fácilmente a sistemas compuestos con varias baterías. En cuanto a la aplicación para la que deseamos utilizar la batería, se esperan algunas particularidades al razonar el funcionamiento del desarrollo que contrastan con otros tipos de usos más tradicionales. Por ejemplo, y aunque suene paradójico, esperamos no utilizarla nunca. De hecho, las oportunidades en que será requerida su aplicación serán muy pocas al mes, incluso al año, en zonas residenciales de una ciudad media. Tal vez existan lugares donde los cortes en el suministro energético sean más frecuentes. En estos casos ya no bastará con una simple lámpara de bajo consumo para resolver el estado de emergencia imprevista, sino que habrá que lograr la obtención de electricidad mediante otro tipo de generadores más importantes, más eficaces y que puedan abastecer a toda una vivienda en sus necesidades mínimas. El desarrollo que nos convoca no es una UPS ni un sistema que pueda reemplazar la energía de red domiciliaria; es una luz de emergencia, tan preciada en los momentos de oscuridad total, desesperante y absoluta. El circuito fundamental es extremadamente sencillo y muy fácil de implementar. Para cargar nuestra batería de plomo ácido necesitaremos nada más que un circuito rectificador de onda completa y una resistencia en serie con la batería para limitar la corriente de carga. Tan sólo eso. El desafío en este diseño es construir un sistema de control que nos permita cargar la batería a un régimen de corriente constante para mantenerla siempre dentro de los límites operativos de uso y dentro de los márgenes de seguridad que establece el fabricante para su corriente y tensión de carga. Para esto utilizaremos el popular NE555 (que cada día demuestra ser útil para más aplicaciones) y un puñado de componentes más. El cargador se inicia con un transformador convencional de 110VAC o 220VAC (según el país donde vivas) que en su secundario pueda entregar una tensión de 15VAC. Si utilizas un transformador con derivación central y dos bobinados de 15VAC, puedes emplear dos diodos para armar un rectificador de onda completa. Si en cambio utilizas un transformador con una salida única de 15VAC, deberás utilizar un puente de 4 diodos para obtener el mismo resultado. En ambos casos, la corriente nominal del secundario no debe ser inferior a 2Amperes. Un fusible de 1Amper para mejorar la seguridad del conjunto completa la etapa de entrada y conexión a la red domiciliaria. En el ejemplo que te mostramos, D3 y D4 cumplen la función de rectificar la señal alterna de entrada, mientras que D5 y D6 separan y aíslan la tensión rectificada y sin filtrar que es enviada al circuito visto en el artículo anterior donde se la utiliza para detectar la ausencia de la tensión de línea y viceversa.

Recordemos que en este punto la señal rectificada no puede estar filtrada de manera eficiente (como sería lógico pensar) ya que la respuesta a la falta de energía debe ser inmediata para encender la luminaria de emergencia. En una configuración con capacitores electrolíticos de gran valor, se demoraría mucho tiempo el encendido de la luz hasta que los filtros se descarguen. Si vemos esta entrada de tensión en el circuito de la entrega anterior, notaremos que el filtrado es muy pequeño (10uF) acompañado por una resistencia (10K) encargada de drenar a GND la tensión de manera rápida y provocar un inmediato cambio de estado en los transistores asociados para activar el funcionamiento del CD4047 dentro del circuito del inversor. Retornando a nuestro circuito podemos ver la conexión de D6 que se encargará de conectar la tensión a los reguladores de 12Volts y 8Volts (VR1 y VR2). El circuito es muy elemental y ya ha sido visto en muchas aplicaciones por lo que no merece mayores comentarios. Sólo vale mencionar el beneficio de conectar VR2 a la salida de VR1 (a través de R12) para lograr un trabajo a menor temperatura por parte de VR2 ya que su entrada nunca superará los 12Volts. Si en cambio la conexión se hubiera realizado en el cátodo de D6, la diferencia entre la tensión de entrada respecto a la tensión de salida habría sido mayor y en consecuencia la temperatura disipada sería siempre elevada. VR1 se utiliza para energizar el relé (o relay) encargado de conectar el cargador a la batería mediante R9 y, por su parte, VR2 alimentará con una tensión regulada de 8Volts al NE555. Esta alimentación será vista en la placa final mediante un indicador LED de color verde. Utilizando la red de resistencias divisoras de tensión internas que posee el NE555 y los comparadores de tensión que hacen cambiar de estado al Flip-Flop interno, armaremos dos redes externas ajustables para activar o desactivar la salida hacia el relé mediante T1. Esto es, P2 se regula para ajustar el nivel de tensión a la que se debe interrumpir la carga de la batería. P1, en cambio, se ajustará para determinar el umbral mínimo de tensión que tendrá la batería para activar el cargador. Es decir, hasta qué valor dejaremos que baje la tensión de la batería para volver a iniciar la secuencia de carga. Una batería, mientras se está cargando, incrementa poco a poco la tensión entre sus bornes hasta alcanzar un máximo (en nuestro caso, 13.8Volts). Luego, al desconectarse en forma automática el suministro de corriente de carga, la tensión acumulada experimenta un descenso normal de almacenamiento hasta un valor donde debe mantenerse y no debe ser inferior a los 12.5 a 12.6Volts de tensión. Por lo tanto, y en función de este análisis, P2 se ajustará a 13.8Volts y P1 a 12.5Volts. Si durante períodos prolongados el equipo de iluminación no se utiliza, la batería experimenta una pérdida de carga natural, y por debajo de los 12.5Volts el cargador se activará para llevarla nuevamente a los 13.8Volts de máxima carga. El descenso de la tensión en bornes de la batería no puede ser rápido. Eso indicaría que la batería se encuentra en mal estado y habría que proceder a su reemplazo. Una descarga normal luego de una carga completa debe durar en la batería unos dos días o más hasta descender por debajo de los 12.5Volts. Para controlar el ritmo de carga y asegurarnos que nuestra batería se encuentra en óptimas condiciones, dispondremos de los LEDs indicadores de actividad del equipo. ¿Cómo es el procedimiento para ajustar P1 y P2? Muy sencillo. Primero nos aseguraremos de quitar R9, si es que ya la hemos instalado. Luego, en lugar de la batería conectaremos una fuente de alimentación variable y conectaremos la alimentación a nuestro circuito. La fuente de alimentación externa se ajustará a 13.8Volts y, por diseño, el cargador iniciará su trabajo en condición de carga, es decir, con el relé energizado. Con P1 y P2 colocados en su posición central, comenzaremos a ajustar (muy lentamente) P2 hasta comprobar que el relé deje de estar energizado. El LED indicador rojo se apagará. Luego, pasaremos la tensión de alimentación de la fuente externa a 12.5Volts (muy lentamente) y ajustaremos P1 hasta que el relé se active y se encienda el LED indicador. Controlaremos que el extremo superior de tensión permanezca en 13.8Volts y de este modo habremos ajustado el controlador de carga de la batería. ¿Cómo obtenemos el valor de R9? Partiendo de una resistencia de 68 Ohms 5W, colocaremos en las pruebas iniciales un amperímetro (un multímetro) para controlar la corriente de carga de la batería. Lo mejor que podemos darle a nuestra batería es una carga lenta y segura. Con un régimen del 1% o 2% de la corriente máxima de carga, obtendremos los mejores resultados de funcionamiento y duración de la batería. Por ejemplo, nuestra batería indica que tiene una capacidad de 7Amper/Hora. Los cargadores convencionales aplican un 10% del valor de corriente nominal (7A/H), es decir, 700mA (0,7Amper) de carga. A este régimen y al cabo de una hora (o menos), la batería alcanza el valor máximo de tensión aconsejado por el fabricante (comprobado en ensayos de laboratorio). Si en cambio utilizamos una corriente de carga de 70mA (0,07Amper), nuestra batería alcanzará la tensión máxima a las 12 horas (promedio) de conexión. Esto nos permite una carga lenta y segura que desemboca en una mayor vida útil de la batería, junto a un mejor rendimiento durante su actividad operativa. Si utilizas un transformador de alimentación de 2 x 15VAC, como hemos hecho nosotros, 68 Ohms es el valor exacto para R9. Si utilizas otras tensiones, deberás controlar con un amperímetro la corriente de carga recordando la recomendación hecha en el párrafo anterior. De este modo, la duración de la batería, con el sistema inversor en funcionamiento, estará rondando las 4 Horas con la lámpara a brillo pleno tal como muestra el video. Por último, podemos decirte que a este cargador de baterías puedes adaptarlo a otras aplicaciones donde exista una batería que necesite ser cargada y controlada para optimizar su rendimiento.